物理學(xué)史--相對(duì)論的建立與發(fā)展

1、相對(duì)論的建立和發(fā)展相對(duì)論的建立和發(fā)展物理1101 第3組1歷史背景歷史背景2狹義相對(duì)論的建立狹義相對(duì)論的建立3廣義相對(duì)論的建立廣義相對(duì)論的建立4相對(duì)論的發(fā)展相對(duì)論的發(fā)展 相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。它的建立是相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。它的建立是2020世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對(duì)物理學(xué)、天世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對(duì)物理學(xué)、天文學(xué)乃至哲學(xué)思想都有深遠(yuǎn)影響。文學(xué)乃至哲學(xué)思想都有深遠(yuǎn)影響。 相對(duì)論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，相對(duì)論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各有是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各有關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。

2、關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。一一. . 歷史背景歷史背景1.1 “1.1 “以太漂移以太漂移”的探索的探索 以太觀念的提出可以追溯到古希臘時(shí)代，亞里士多德認(rèn)為以太觀念的提出可以追溯到古希臘時(shí)代，亞里士多德認(rèn)為天體間一定充滿著某種媒質(zhì)。笛卡兒天體間一定充滿著某種媒質(zhì)。笛卡兒16441644年發(fā)表的年發(fā)表的哲學(xué)原理哲學(xué)原理中就引用了以太的觀念。他認(rèn)為中就引用了以太的觀念。他認(rèn)為“虛空虛空”是不存在的，整個(gè)宇是不存在的，整個(gè)宇宙充滿著一種特殊的易動(dòng)物質(zhì)宙充滿著一種特殊的易動(dòng)物質(zhì)以太。以太。 在光的微粒說(shuō)占上風(fēng)的年代，以太理論曾受到壓制。在光的微粒說(shuō)占上風(fēng)的年代，以太理論曾受到壓制。18001800年以后

3、，由于波動(dòng)說(shuō)成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，年以后，由于波動(dòng)說(shuō)成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，以太學(xué)說(shuō)重新抬頭。波動(dòng)說(shuō)的支持者把以太看成無(wú)所不在、絕以太學(xué)說(shuō)重新抬頭。波動(dòng)說(shuō)的支持者把以太看成無(wú)所不在、絕對(duì)靜止、極其稀薄的剛性對(duì)靜止、極其稀薄的剛性“物質(zhì)物質(zhì)”。 但是，直到但是，直到1919世紀(jì)還沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)苤苯幼C明以太的存在。世紀(jì)還沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)苤苯幼C明以太的存在。以太漂移實(shí)驗(yàn)給出了否定結(jié)果。這些結(jié)果促使人們對(duì)以太和絕以太漂移實(shí)驗(yàn)給出了否定結(jié)果。這些結(jié)果促使人們對(duì)以太和絕對(duì)坐標(biāo)系的存在產(chǎn)生懷疑。對(duì)坐標(biāo)系的存在產(chǎn)生懷疑。 1.2 收縮假說(shuō)的提出收縮假說(shuō)的提出 邁克耳遜邁克耳遜- -默雷

4、實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果發(fā)表后，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家費(fèi)默雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果發(fā)表后，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家費(fèi)茲杰惹立即進(jìn)行了思考。茲杰惹立即進(jìn)行了思考。18891889年，他向英國(guó)年，他向英國(guó)科學(xué)科學(xué)雜志投雜志投稿，寫(xiě)到：稿，寫(xiě)到：“唯一可能協(xié)調(diào)這中對(duì)立的假說(shuō)就是要假設(shè)物體唯一可能協(xié)調(diào)這中對(duì)立的假說(shuō)就是要假設(shè)物體的長(zhǎng)度回發(fā)生變化，其改變量跟穿過(guò)以太的速度與光速之比的長(zhǎng)度回發(fā)生變化，其改變量跟穿過(guò)以太的速度與光速之比的平方成正比。的平方成正比。” 然而，由于然而，由于科學(xué)科學(xué)雜志不久就?？?，這篇稿件雖然發(fā)雜志不久就停刊了，這篇稿件雖然發(fā)表但卻鮮為人知，連費(fèi)茲杰惹本人也不知道這篇稿件是否問(wèn)表但卻鮮為人知，連費(fèi)茲杰惹本人也不知道

5、這篇稿件是否問(wèn)世。兩年后，費(fèi)茲杰惹去世，只是由于他的學(xué)生特勞頓多次世。兩年后，費(fèi)茲杰惹去世，只是由于他的學(xué)生特勞頓多次提到他的工作，人們才知道他比洛倫茲更早就提出了收縮假提到他的工作，人們才知道他比洛倫茲更早就提出了收縮假說(shuō)。說(shuō)。 1892 1892年，荷蘭物理學(xué)家洛倫茲在年，荷蘭物理學(xué)家洛倫茲在論地球?qū)σ蕴南鄬?duì)運(yùn)論地球?qū)σ蕴南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)中獨(dú)立地提出了收縮假說(shuō)，并給出了嚴(yán)格的定量關(guān)系。中獨(dú)立地提出了收縮假說(shuō)，并給出了嚴(yán)格的定量關(guān)系。二二. . 狹義相對(duì)論的建立狹義相對(duì)論的建立 愛(ài)因斯坦（公元愛(ài)因斯坦（公元1879187919551955年）年）出生于德國(guó)，有猶太血統(tǒng)，是出生于德國(guó)，有猶太血統(tǒng)

6、，是2020世紀(jì)世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家。愛(ài)因斯坦從小就最偉大的物理學(xué)家。愛(ài)因斯坦從小就是一個(gè)奇怪的孩子。他酷愛(ài)音樂(lè)，是一個(gè)奇怪的孩子。他酷愛(ài)音樂(lè)，6 6歲時(shí)學(xué)習(xí)小提琴，歲時(shí)學(xué)習(xí)小提琴，1414歲時(shí)已能登臺(tái)演歲時(shí)已能登臺(tái)演出。但上學(xué)時(shí)，教師說(shuō)他智力遲鈍，出。但上學(xué)時(shí)，教師說(shuō)他智力遲鈍，除數(shù)學(xué)外，歷史、地理和語(yǔ)言成績(jī)都除數(shù)學(xué)外，歷史、地理和語(yǔ)言成績(jī)都很差，以致遭退學(xué)處分。他的教育主很差，以致遭退學(xué)處分。他的教育主要靠家庭和自學(xué)。要靠家庭和自學(xué)。 2.1 2.1 愛(ài)因斯坦生平愛(ài)因斯坦生平 早在早在1616歲（歲（18951895年）時(shí)，愛(ài)因斯坦就開(kāi)始思考這樣一個(gè)問(wèn)題：年）時(shí)，愛(ài)因斯坦就開(kāi)始思考這樣一個(gè)

7、問(wèn)題：“如果我以速度如果我以速度c c（真空中的光速）追隨光線運(yùn)動(dòng)，我應(yīng)當(dāng)看到這樣（真空中的光速）追隨光線運(yùn)動(dòng)，我應(yīng)當(dāng)看到這樣一條光線就好象一個(gè)在空中振蕩著而停滯不前的電磁場(chǎng)?？墒菬o(wú)論是一條光線就好象一個(gè)在空中振蕩著而停滯不前的電磁場(chǎng)?？墒菬o(wú)論是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還是按照麥克斯韋方程，看來(lái)都不會(huì)有這樣的事情。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還是按照麥克斯韋方程，看來(lái)都不會(huì)有這樣的事情?！边@這是一個(gè)悖論，實(shí)際上包含了狹義相對(duì)論的萌芽。是一個(gè)悖論，實(shí)際上包含了狹義相對(duì)論的萌芽。 不久愛(ài)因斯坦得知邁克耳孫不久愛(ài)因斯坦得知邁克耳孫- -莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。他由此認(rèn)識(shí)到，莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果。他由此認(rèn)識(shí)到，地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)是不能用任何

8、儀器測(cè)量的。他曾回憶說(shuō)：地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)是不能用任何儀器測(cè)量的。他曾回憶說(shuō)：“這這是引導(dǎo)我走向狹義相對(duì)論的第一步。是引導(dǎo)我走向狹義相對(duì)論的第一步。” 后來(lái)，愛(ài)因斯坦讀到了洛侖茲后來(lái)，愛(ài)因斯坦讀到了洛侖茲18951895年的論文，對(duì)洛侖茲方程發(fā)生年的論文，對(duì)洛侖茲方程發(fā)生了興趣。他試圖用洛侖茲方程討論斐索的流水中光速實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)他堅(jiān)了興趣。他試圖用洛侖茲方程討論斐索的流水中光速實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)他堅(jiān)信麥克斯韋和洛侖茲電動(dòng)力學(xué)方程是正確的，但是進(jìn)一步推算，發(fā)現(xiàn)信麥克斯韋和洛侖茲電動(dòng)力學(xué)方程是正確的，但是進(jìn)一步推算，發(fā)現(xiàn)要保持這些方程對(duì)動(dòng)體參照系同樣有效，必然導(dǎo)致光速不變性的概念，要保持這些方程對(duì)動(dòng)體參照

9、系同樣有效，必然導(dǎo)致光速不變性的概念，而光速的不變性明顯地與力學(xué)的速度合成法則相抵觸。而光速的不變性明顯地與力學(xué)的速度合成法則相抵觸。2.2 2.2 愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論的過(guò)程愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論的過(guò)程 經(jīng)過(guò)十年的思考，終于在經(jīng)過(guò)十年的思考，終于在19051905年的一天，他突然找到了解年的一天，他突然找到了解決問(wèn)題的關(guān)鍵。決問(wèn)題的關(guān)鍵。 “ “是我在伯爾尼的朋友貝索偶然間幫我擺脫是我在伯爾尼的朋友貝索偶然間幫我擺脫了困境。那是一個(gè)睛朗的日子，我?guī)е@個(gè)問(wèn)題訪問(wèn)了他，我了困境。那是一個(gè)睛朗的日子，我?guī)е@個(gè)問(wèn)題訪問(wèn)了他，我們討論了這個(gè)問(wèn)題的每一個(gè)細(xì)節(jié)。忽然我領(lǐng)悟到這個(gè)問(wèn)題的癥們討論了這個(gè)問(wèn)

10、題的每一個(gè)細(xì)節(jié)。忽然我領(lǐng)悟到這個(gè)問(wèn)題的癥結(jié)所在。這個(gè)問(wèn)題的答案來(lái)自對(duì)時(shí)間概念的分析，不可能絕對(duì)結(jié)所在。這個(gè)問(wèn)題的答案來(lái)自對(duì)時(shí)間概念的分析，不可能絕對(duì)地確定時(shí)間，在時(shí)間和信號(hào)速度之間有著不可分割的聯(lián)系。利地確定時(shí)間，在時(shí)間和信號(hào)速度之間有著不可分割的聯(lián)系。利用這一新概念，我第一次徹底地解決了這個(gè)難題。用這一新概念，我第一次徹底地解決了這個(gè)難題。” 不出五個(gè)星期，（不出五個(gè)星期，（19051905年年6 6月），愛(ài)因斯坦就寫(xiě)好了那篇?dú)v月），愛(ài)因斯坦就寫(xiě)好了那篇?dú)v史性文獻(xiàn)史性文獻(xiàn)論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)，19051905年年9 9月發(fā)表在著名的德文月發(fā)表在著名的德文雜志雜志物理學(xué)年鑒物理學(xué)年

11、鑒上。在這篇論文中，愛(ài)因斯坦十分果斷地上。在這篇論文中，愛(ài)因斯坦十分果斷地把相對(duì)性原理和光速不變?cè)磉@兩條看起來(lái)似乎矛盾的設(shè)想放把相對(duì)性原理和光速不變?cè)磉@兩條看起來(lái)似乎矛盾的設(shè)想放在一起作為基本出發(fā)點(diǎn)。在一起作為基本出發(fā)點(diǎn)。 愛(ài)因斯坦明確指出：在他的理論里，以太的概念將是多余愛(ài)因斯坦明確指出：在他的理論里，以太的概念將是多余的，因?yàn)檫@里不需要特設(shè)的絕對(duì)靜止參照系。愛(ài)因斯坦不是的，因?yàn)檫@里不需要特設(shè)的絕對(duì)靜止參照系。愛(ài)因斯坦不是象洛侖茲那樣，事先假設(shè)某種時(shí)空變換關(guān)系，而是以這兩個(gè)象洛侖茲那樣，事先假設(shè)某種時(shí)空變換關(guān)系，而是以這兩個(gè)公設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，推導(dǎo)出時(shí)空變換關(guān)系。他非常簡(jiǎn)潔地建立了公設(shè)為出發(fā)點(diǎn)

12、，推導(dǎo)出時(shí)空變換關(guān)系。他非常簡(jiǎn)潔地建立了一系列新的時(shí)空變換公式之后，立即推導(dǎo)出了運(yùn)動(dòng)物體的一系列新的時(shí)空變換公式之后，立即推導(dǎo)出了運(yùn)動(dòng)物體的“長(zhǎng)度收縮長(zhǎng)度收縮”、運(yùn)動(dòng)時(shí)間的、運(yùn)動(dòng)時(shí)間的“時(shí)鐘變慢時(shí)鐘變慢”、同時(shí)性的相對(duì)性、同時(shí)性的相對(duì)性以及新的速度合成法則等等，由此形成一套嶄新的時(shí)空觀。以及新的速度合成法則等等，由此形成一套嶄新的時(shí)空觀。 由于人們的思想長(zhǎng)期受到傳統(tǒng)觀念的束縛，一時(shí)難于接受由于人們的思想長(zhǎng)期受到傳統(tǒng)觀念的束縛，一時(shí)難于接受嶄新的時(shí)空觀，愛(ài)因斯坦的論文發(fā)表后，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間嶄新的時(shí)空觀，愛(ài)因斯坦的論文發(fā)表后，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)受到冷遇，被人們懷疑甚至遭到反對(duì)。內(nèi)受到冷遇，被

13、人們懷疑甚至遭到反對(duì)。 在法國(guó)，直到在法國(guó)，直到19101910年幾乎沒(méi)有人提到愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。年幾乎沒(méi)有人提到愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。在實(shí)用主義盛行的美國(guó)，最初十幾年中也沒(méi)有得到認(rèn)真對(duì)待。在實(shí)用主義盛行的美國(guó)，最初十幾年中也沒(méi)有得到認(rèn)真對(duì)待。邁克耳孫至死（邁克耳孫至死（19311931年）還念念不忘年）還念念不忘“可愛(ài)的以太可愛(ài)的以太”，認(rèn)為相，認(rèn)為相對(duì)論是一個(gè)怪物。英國(guó)也不例外，在人們的頭腦里以太的觀念對(duì)論是一個(gè)怪物。英國(guó)也不例外，在人們的頭腦里以太的觀念太深了，相對(duì)論徹底否定以太的必要性，被人們看成是不可思太深了，相對(duì)論徹底否定以太的必要性，被人們看成是不可思議的事。當(dāng)時(shí)甚至掀起了一場(chǎng)議的事

14、。當(dāng)時(shí)甚至掀起了一場(chǎng)“保衛(wèi)以太保衛(wèi)以太”的運(yùn)動(dòng)。的運(yùn)動(dòng)。J.J.J.J.湯姆湯姆遜在遜在19091909年宣稱(chēng)：年宣稱(chēng)：“以太并不是思辨哲學(xué)家異想天開(kāi)的創(chuàng)造，以太并不是思辨哲學(xué)家異想天開(kāi)的創(chuàng)造，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，就象我們呼吸空氣一樣不可缺少對(duì)我們來(lái)說(shuō)，就象我們呼吸空氣一樣不可缺少”。 2.3 2.3 狹義相對(duì)論被承認(rèn)和接受的過(guò)程狹義相對(duì)論被承認(rèn)和接受的過(guò)程 1911 1911年美國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)主席馬吉（年美國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)主席馬吉（M.F.MagieM.F.Magie）說(shuō)：）說(shuō)：“我相信，我相信，現(xiàn)在沒(méi)有任何一個(gè)活著的人真的會(huì)斷言，他能夠想象出時(shí)間是現(xiàn)在沒(méi)有任何一個(gè)活著的人真的會(huì)斷言，他能夠想象出時(shí)間是速度的

15、函數(shù)。速度的函數(shù)?！北粣?ài)因斯坦譽(yù)為相對(duì)論先驅(qū)的馬赫，竟聲明自被愛(ài)因斯坦譽(yù)為相對(duì)論先驅(qū)的馬赫，竟聲明自己與相對(duì)論沒(méi)有關(guān)系，己與相對(duì)論沒(méi)有關(guān)系，“不承認(rèn)相對(duì)論不承認(rèn)相對(duì)論”。有一位科學(xué)史家叫。有一位科學(xué)史家叫惠特克（惠特克（S.E.WhittakerS.E.Whittaker）在寫(xiě)相對(duì)論的歷史時(shí)，竟把相對(duì)論）在寫(xiě)相對(duì)論的歷史時(shí)，竟把相對(duì)論的創(chuàng)始人歸于彭加勒和洛侖茲，認(rèn)為愛(ài)因斯坦只是對(duì)彭加勒和的創(chuàng)始人歸于彭加勒和洛侖茲，認(rèn)為愛(ài)因斯坦只是對(duì)彭加勒和洛侖茲的相對(duì)論加了一些補(bǔ)充。洛侖茲的相對(duì)論加了一些補(bǔ)充。 愛(ài)因斯坦是愛(ài)因斯坦是19221922年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的。不過(guò)不是由于他建年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的。不過(guò)不

16、是由于他建立了相對(duì)論，而是立了相對(duì)論，而是“為了他的理論物理學(xué)研究，特別是光電效為了他的理論物理學(xué)研究，特別是光電效應(yīng)定律 的 發(fā) 現(xiàn)應(yīng)定律 的 發(fā) 現(xiàn)” 。諾貝爾物理獎(jiǎng)委員會(huì)主席奧利維亞。諾貝爾物理獎(jiǎng)委員會(huì)主席奧利維亞（AurivillusAurivillus）為此專(zhuān)門(mén)寫(xiě)信給愛(ài)因斯坦，指明他獲獎(jiǎng)的原因）為此專(zhuān)門(mén)寫(xiě)信給愛(ài)因斯坦，指明他獲獎(jiǎng)的原因不是基于相對(duì)論，并在授獎(jiǎng)典禮上解釋說(shuō)：因?yàn)橛行┙Y(jié)論目前不是基于相對(duì)論，并在授獎(jiǎng)典禮上解釋說(shuō)：因?yàn)橛行┙Y(jié)論目前還正在經(jīng)受?chē)?yán)格的驗(yàn)證。還正在經(jīng)受?chē)?yán)格的驗(yàn)證。愛(ài)因斯坦的論文發(fā)表后，愛(ài)因斯坦的論文發(fā)表后，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)受到冷遇，被人們懷

17、疑受到冷遇，被人們懷疑甚至遭到反對(duì)。甚至遭到反對(duì)。 普朗克和閔可夫斯基（普朗克和閔可夫斯基（H.MinkowskiH.Minkowski）可以說(shuō)是支持相對(duì)論）可以說(shuō)是支持相對(duì)論的代表。正是普朗克，當(dāng)時(shí)作為的代表。正是普朗克，當(dāng)時(shí)作為物理學(xué)年鑒物理學(xué)年鑒的主編，認(rèn)識(shí)的主編，認(rèn)識(shí)到愛(ài)因斯坦所投論文的價(jià)值，及時(shí)地予以發(fā)表。所以人們常說(shuō)，到愛(ài)因斯坦所投論文的價(jià)值，及時(shí)地予以發(fā)表。所以人們常說(shuō)，普朗克有兩大發(fā)現(xiàn)，一是發(fā)現(xiàn)了作用量子，二是發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯普朗克有兩大發(fā)現(xiàn)，一是發(fā)現(xiàn)了作用量子，二是發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦。他的學(xué)生勞厄在坦。他的學(xué)生勞厄在19111911年就致力于宣傳相對(duì)論，大概也是受年就致力于宣傳相對(duì)論

18、，大概也是受了他的影響。閔可夫斯基本是愛(ài)因斯坦的老師，了他的影響。閔可夫斯基本是愛(ài)因斯坦的老師，19081908年發(fā)表年發(fā)表空間與時(shí)間空間與時(shí)間一文，把空時(shí)一文，把空時(shí)- -時(shí)間合并成四維空間，重新處時(shí)間合并成四維空間，重新處理了相對(duì)論的基本方程，把洛侖茲變換看成是空間理了相對(duì)論的基本方程，把洛侖茲變換看成是空間- -時(shí)間四維時(shí)間四維坐標(biāo)的變換。這樣就可以使相對(duì)論的規(guī)律以更加簡(jiǎn)潔的形式表坐標(biāo)的變換。這樣就可以使相對(duì)論的規(guī)律以更加簡(jiǎn)潔的形式表達(dá)出來(lái)。達(dá)出來(lái)。 愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在19071907年寫(xiě)文章表示，相信狹義相對(duì)論是經(jīng)得起年寫(xiě)文章表示，相信狹義相對(duì)論是經(jīng)得起考驗(yàn)的。果然，一年后布雪勒（考

19、驗(yàn)的。果然，一年后布雪勒（A.H.BuchererA.H.Bucherer）用改進(jìn)了的方）用改進(jìn)了的方法測(cè)電子質(zhì)量，得到的結(jié)果與洛侖茲法測(cè)電子質(zhì)量，得到的結(jié)果與洛侖茲- -愛(ài)因斯坦公式符合甚好。愛(ài)因斯坦公式符合甚好。以后許多實(shí)驗(yàn)都證明，狹義相對(duì)論的結(jié)果是正確的?？墒?，觀以后許多實(shí)驗(yàn)都證明，狹義相對(duì)論的結(jié)果是正確的?？墒牵^念的改變不是一朝一夕之事。念的改變不是一朝一夕之事。19111911年索爾威會(huì)議召開(kāi)，由于愛(ài)年索爾威會(huì)議召開(kāi)，由于愛(ài)因斯坦在固體比熱的研究上有一定影響，人們才注意到他在狹因斯坦在固體比熱的研究上有一定影響，人們才注意到他在狹義相對(duì)論方面的工作。只是到了義相對(duì)論方面的工作。只是

20、到了19191919年，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)年，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論得到了日全食觀測(cè)的證實(shí)，他成為公眾矚目的人物，狹義相論得到了日全食觀測(cè)的證實(shí)，他成為公眾矚目的人物，狹義相對(duì)論才開(kāi)始受到應(yīng)有的重視。對(duì)論才開(kāi)始受到應(yīng)有的重視。三三. . 廣義相對(duì)論的建立廣義相對(duì)論的建立 狹義相對(duì)論建立以后，愛(ài)因斯坦并沒(méi)有止步。他認(rèn)為狹義狹義相對(duì)論建立以后，愛(ài)因斯坦并沒(méi)有止步。他認(rèn)為狹義相對(duì)論還有許多問(wèn)題沒(méi)有解決。例如：為什么慣性坐標(biāo)系在物相對(duì)論還有許多問(wèn)題沒(méi)有解決。例如：為什么慣性坐標(biāo)系在物理學(xué)中比其他坐標(biāo)系更為優(yōu)越？為什么慣性質(zhì)量隨能量變化？理學(xué)中比其他坐標(biāo)系更為優(yōu)越？為什么慣性質(zhì)量隨能量變化？為什么一切物體

21、在引力場(chǎng)中下落都具有同樣的加速度？剛剛經(jīng)為什么一切物體在引力場(chǎng)中下落都具有同樣的加速度？剛剛經(jīng)受住考驗(yàn)的狹義相對(duì)論，為什么一用到引力場(chǎng)中就遇到了矛盾？受住考驗(yàn)的狹義相對(duì)論，為什么一用到引力場(chǎng)中就遇到了矛盾？愛(ài)因斯坦感到極大的疑惑。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的嘗試，愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦感到極大的疑惑。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的嘗試，愛(ài)因斯坦在19071907年認(rèn)識(shí)到，年認(rèn)識(shí)到，“在狹義相對(duì)論的框子里，是不可能有令人滿在狹義相對(duì)論的框子里，是不可能有令人滿意的引力理論的。意的引力理論的?！?.1 3.1 廣義相對(duì)論的建立過(guò)程廣義相對(duì)論的建立過(guò)程 1907 1907年，愛(ài)因斯坦發(fā)表第一篇有關(guān)廣義相對(duì)論的論文：年，愛(ài)因斯坦發(fā)表第

22、一篇有關(guān)廣義相對(duì)論的論文：關(guān)于相對(duì)論原理和由此得出的結(jié)論關(guān)于相對(duì)論原理和由此得出的結(jié)論，文中首次提出等價(jià)原，文中首次提出等價(jià)原理（等效原理）的假設(shè)，即：理（等效原理）的假設(shè)，即：“引力場(chǎng)同參照系的相當(dāng)?shù)募铀僖?chǎng)同參照系的相當(dāng)?shù)募铀俣仍谖锢砩贤耆葍r(jià)。度在物理上完全等價(jià)?！蔽闹羞€提出了另一條基本原理，即廣文中還提出了另一條基本原理，即廣義相對(duì)性原理，他設(shè)想，相對(duì)性運(yùn)動(dòng)原理對(duì)于相互作加速運(yùn)動(dòng)義相對(duì)性原理，他設(shè)想，相對(duì)性運(yùn)動(dòng)原理對(duì)于相互作加速運(yùn)動(dòng)的參照系也依然成立，他假設(shè)可以用一個(gè)均勻加速的參照系來(lái)的參照系也依然成立，他假設(shè)可以用一個(gè)均勻加速的參照系來(lái)代替均勻引力場(chǎng)。代替均勻引力場(chǎng)。 愛(ài)因斯坦研究

23、廣義相對(duì)論，經(jīng)歷了一個(gè)比建立狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦研究廣義相對(duì)論，經(jīng)歷了一個(gè)比建立狹義相對(duì)論還更漫長(zhǎng)的探索道路。從還更漫長(zhǎng)的探索道路。從19071907年到年到19161916年的九年時(shí)間，愛(ài)因斯年的九年時(shí)間，愛(ài)因斯坦先后發(fā)表了好幾篇論文，使廣義相對(duì)論逐步完備。他遇到的坦先后發(fā)表了好幾篇論文，使廣義相對(duì)論逐步完備。他遇到的主要困難是缺乏合適的數(shù)學(xué)工具。主要困難是缺乏合適的數(shù)學(xué)工具。 1913 1913年，愛(ài)因斯坦與格羅斯曼年，愛(ài)因斯坦與格羅斯曼(M.Grossmann(M.Grossmann) )合作，建立了合作，建立了引力的度規(guī)場(chǎng)理論，他們聯(lián)名發(fā)表了引力的度規(guī)場(chǎng)理論，他們聯(lián)名發(fā)表了廣義相對(duì)論和引

24、力論廣義相對(duì)論和引力論，系統(tǒng)地論述了廣義相對(duì)論的物理原理和數(shù)學(xué)方法。他們引入了系統(tǒng)地論述了廣義相對(duì)論的物理原理和數(shù)學(xué)方法。他們引入了黎曼張量，把平直空間的張量運(yùn)算推廣到彎曲的黎曼空間。黎曼張量，把平直空間的張量運(yùn)算推廣到彎曲的黎曼空間。 1915 1915年，愛(ài)因斯坦連續(xù)發(fā)表了幾篇有關(guān)廣義相對(duì)論的論文。年，愛(ài)因斯坦連續(xù)發(fā)表了幾篇有關(guān)廣義相對(duì)論的論文。其中其中用廣義相對(duì)論解釋水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)用廣義相對(duì)論解釋水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)第一次用廣義相對(duì)第一次用廣義相對(duì)論計(jì)算出了水星的剩余進(jìn)動(dòng)，并且聲明：論計(jì)算出了水星的剩余進(jìn)動(dòng)，并且聲明：“在本文中我找到了在本文中我找到了這種最徹底和最完全的相對(duì)論的一個(gè)重要證明。

25、這種最徹底和最完全的相對(duì)論的一個(gè)重要證明?！蓖臧l(fā)表了同年發(fā)表了引力的場(chǎng)方程引力的場(chǎng)方程，提出了廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程的完整形式。，提出了廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程的完整形式。 1916 1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，對(duì)廣義相，對(duì)廣義相對(duì)論的研究作了全面的總結(jié)。在論文中，愛(ài)因斯坦證明了牛頓對(duì)論的研究作了全面的總結(jié)。在論文中，愛(ài)因斯坦證明了牛頓理論可以作為相對(duì)論引力理論的第一級(jí)近似，并且給出了譜線理論可以作為相對(duì)論引力理論的第一級(jí)近似，并且給出了譜線紅移，光線彎曲，行星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的理論預(yù)言。紅移，光線彎曲，行星軌道近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的理論預(yù)言。 在廣義相對(duì)論建

26、立之初，愛(ài)因斯坦提出了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，在廣義相對(duì)論建立之初，愛(ài)因斯坦提出了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，一是水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，二是光線在引力場(chǎng)中的彎曲，三是光一是水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，二是光線在引力場(chǎng)中的彎曲，三是光譜線的引力紅移。其中只有水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)是已經(jīng)確認(rèn)的事實(shí)，譜線的引力紅移。其中只有水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)是已經(jīng)確認(rèn)的事實(shí)，其余兩項(xiàng)只是后來(lái)才陸續(xù)得到證實(shí)。其余兩項(xiàng)只是后來(lái)才陸續(xù)得到證實(shí)。6060年代以后，又有人提出年代以后，又有人提出觀測(cè)雷達(dá)回波延遲、引力波等方案。觀測(cè)雷達(dá)回波延遲、引力波等方案。 3.2.1 3.2.1 水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng) 1859 1859年，天文學(xué)家勒維利埃（年，天文學(xué)家勒維利

27、埃（Le VerrierLe Verrier）發(fā)現(xiàn)水星近日）發(fā)現(xiàn)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)值，比根據(jù)牛頓定律計(jì)算的理論值每百年快點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)值，比根據(jù)牛頓定律計(jì)算的理論值每百年快3838角角秒。秒。18821882年，紐康姆（年，紐康姆（S.NewcombS.Newcomb）經(jīng)過(guò)重新計(jì)算，得出水星）經(jīng)過(guò)重新計(jì)算，得出水星近日點(diǎn)的多余進(jìn)動(dòng)值為每百年近日點(diǎn)的多余進(jìn)動(dòng)值為每百年4343角秒。角秒。 3.2 3.2 廣義相對(duì)論的驗(yàn)證廣義相對(duì)論的驗(yàn)證 1915 1915年，愛(ài)因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論把行星的繞日運(yùn)動(dòng)看成年，愛(ài)因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論把行星的繞日運(yùn)動(dòng)看成是它在太陽(yáng)引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，由于太陽(yáng)的質(zhì)量造成周?chē)?/p>

28、間發(fā)是它在太陽(yáng)引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，由于太陽(yáng)的質(zhì)量造成周?chē)臻g發(fā)生彎曲，使行星每公轉(zhuǎn)一周近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)為：生彎曲，使行星每公轉(zhuǎn)一周近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)為： 其中其中為行星的長(zhǎng)半軸，為行星的長(zhǎng)半軸，c c為光速，以為光速，以cm/scm/s表示，表示，e e為偏心為偏心率，率，T T為公轉(zhuǎn)周期。對(duì)于水星，計(jì)算出為公轉(zhuǎn)周期。對(duì)于水星，計(jì)算出=43/=43/百年，正好與紐百年，正好與紐康姆的結(jié)果相符，一舉解決了牛頓引力理論多年未解決的懸案?？的返慕Y(jié)果相符，一舉解決了牛頓引力理論多年未解決的懸案。這個(gè)結(jié)果當(dāng)時(shí)成了廣義相對(duì)論最有力的一個(gè)證據(jù)。這個(gè)結(jié)果當(dāng)時(shí)成了廣義相對(duì)論最有力的一個(gè)證據(jù)。 22222241T ce 3.2.2

29、 3.2.2 光線在引力場(chǎng)中的彎曲光線在引力場(chǎng)中的彎曲 1911 1911年愛(ài)因斯坦在年愛(ài)因斯坦在引力對(duì)光傳播的影響引力對(duì)光傳播的影響一文中討論了一文中討論了光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)由于太陽(yáng)引力的作用會(huì)產(chǎn)生彎曲。他推算光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)由于太陽(yáng)引力的作用會(huì)產(chǎn)生彎曲。他推算出偏角為出偏角為0.83(0.83(其實(shí)該結(jié)果有誤其實(shí)該結(jié)果有誤, ,因?yàn)閻?ài)因斯坦當(dāng)時(shí)只考慮到因?yàn)閻?ài)因斯坦當(dāng)時(shí)只考慮到等價(jià)原理而沒(méi)有考慮到太陽(yáng)質(zhì)量導(dǎo)致的空間幾何形變，計(jì)算結(jié)等價(jià)原理而沒(méi)有考慮到太陽(yáng)質(zhì)量導(dǎo)致的空間幾何形變，計(jì)算結(jié)果小了一半。果小了一半。) )，并且指出這一現(xiàn)象可以在日全食進(jìn)行觀測(cè)。，并且指出這一現(xiàn)象可以在日全食進(jìn)行觀測(cè)

30、。 1919 1919年日全食期間，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)派出年日全食期間，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)派出了由愛(ài)丁頓（了由愛(ài)丁頓（A.S.FEddingtonA.S.FEddington）等人率領(lǐng)的兩支觀測(cè)隊(duì)分赴西）等人率領(lǐng)的兩支觀測(cè)隊(duì)分赴西非幾內(nèi)亞灣的普林西比島（非幾內(nèi)亞灣的普林西比島（PrincipePrincipe）和巴西的索布臘兒爾）和巴西的索布臘兒爾（SobralSobral）兩地觀測(cè)。經(jīng)過(guò)比較，兩地的觀測(cè)結(jié)果分別為）兩地觀測(cè)。經(jīng)過(guò)比較，兩地的觀測(cè)結(jié)果分別為1.611.610.300.30和和1.981.980.120.12。把當(dāng)時(shí)測(cè)到的偏角數(shù)據(jù)跟愛(ài)因。把當(dāng)時(shí)測(cè)到的偏角數(shù)

31、據(jù)跟愛(ài)因斯坦的理論預(yù)期比較，基本相符。斯坦的理論預(yù)期比較，基本相符。 通常物體的引力場(chǎng)都太弱，通常物體的引力場(chǎng)都太弱，2020世紀(jì)只能觀測(cè)到太陽(yáng)引力場(chǎng)世紀(jì)只能觀測(cè)到太陽(yáng)引力場(chǎng)引起的光線彎曲引起的光線彎曲由于太陽(yáng)引力由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用，我們場(chǎng)的作用，我們有可能觀測(cè)到太有可能觀測(cè)到太陽(yáng)后面的恒星，陽(yáng)后面的恒星，最好的觀測(cè)時(shí)間最好的觀測(cè)時(shí)間是發(fā)生日全食的是發(fā)生日全食的時(shí)候時(shí)候 19191919年年5 5月月2929日，發(fā)生日全食，英國(guó)考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和日，發(fā)生日全食，英國(guó)考察隊(duì)分赴幾內(nèi)亞灣和巴西進(jìn)行觀測(cè)，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言，這是對(duì)相對(duì)論的最早巴西進(jìn)行觀測(cè)，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言，這是對(duì)相對(duì)論的最

32、早證實(shí)。證實(shí)。恒星恒星太陽(yáng)太陽(yáng)月亮月亮地球地球星體星體無(wú)法觀測(cè)黑黑洞洞 光線在引力場(chǎng)中彎曲的一個(gè)必然推論是引力透鏡問(wèn)題。早光線在引力場(chǎng)中彎曲的一個(gè)必然推論是引力透鏡問(wèn)題。早在在19201920年愛(ài)丁頓就提出引力透鏡效應(yīng)可作為廣義相對(duì)論的一種年愛(ài)丁頓就提出引力透鏡效應(yīng)可作為廣義相對(duì)論的一種檢驗(yàn)；檢驗(yàn)；星球的強(qiáng)引力場(chǎng)能使背后星球的強(qiáng)引力場(chǎng)能使背后傳來(lái)的光線匯聚，這種現(xiàn)傳來(lái)的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應(yīng)。象叫做引力透鏡效應(yīng)。3.2.3 3.2.3 光譜線的引力紅移光譜線的引力紅移 廣義相對(duì)論指出，在強(qiáng)引力場(chǎng)中時(shí)鐘要走得慢些，因此從廣義相對(duì)論指出，在強(qiáng)引力場(chǎng)中時(shí)鐘要走得慢些，因此從巨大質(zhì)量的星體表面發(fā)射到地球上的光線，會(huì)向光譜的紅端移巨大質(zhì)量的星體表面發(fā)射到地球上的光線，會(huì)向光譜的紅端移動(dòng)。愛(ài)因斯坦動(dòng)。愛(ài)因斯坦19111911年在年在引力對(duì)光傳播的影響引力對(duì)光傳播的影響一文中就討論一文中就討論了這個(gè)問(wèn)題。他以了這個(gè)問(wèn)題。他以表示太陽(yáng)表面與地球之間的引力勢(shì)差，表示太陽(yáng)表面與地球之間的引力勢(shì)差，v v0 0、v v分別表示光線在太陽(yáng)表面和到達(dá)地球時(shí)的頻率，得：分別表示光線在太陽(yáng)表面和到達(dá)地球時(shí)的頻率，得：2602 10c 愛(ài)因斯坦指出，這一結(jié)果與法布里（愛(ài)因斯坦指出，這一結(jié)果與法布里（C